В цепи, переключаемой NPN-транзистором, источник питания и вход требуют одинакового заземления?

Я пытаюсь создать схему, которая позволит мне включить реле, которое включит светодиод. Тем не менее, реле рассчитано на 12 В, и у меня есть только вход 5 В, поэтому я использую NPN-транзистор . включить и выключить питание реле. Вот схема:

Однако меня смущают некоторые вещи (обратите внимание, что заземление как для источника питания 12 В, так и для источника питания 5 В не указано):

1. Если мой источник питания 5 В является Arduino, могу ли я использовать заземление для заземления источника питания 12 В?

2. Это нормально, что база и эмиттер имеют разные основания на транзисторе? Или они должны быть одинаковыми?

3. Если мой источник питания 12 В питается от 8 батареек типа АА (это не подходит, но я использую его только для тестирования), как бы я подключил его к той же земле, что и arduino, вместо отрицательной стороны батарей?

4. Как я могу выяснить, какими должны быть R1 и R2 на основе транзистора? Я читаю некоторые вещи онлайн, но все еще в замешательстве.

5. Есть ли другие вещи, которые я не принимаю во внимание, что я должен быть?

Я совершенно новичок в этом, поэтому любая помощь очень ценится.

1. Да, вам необходимо подключить заземление 5 В и 12 В в этой цепи для переключения транзистора. Помните, что должен быть обратный путь для базового тока. Вы не можете отправить сигнал, используя только 1 провод.

2. См. Выше, излучатель должен использовать ту же землю, что и источник сигнала (Arduino), или обратного пути нет.

3. Подключите отрицательный вывод нижней батареи (при условии, что у вас есть 8 последовательно) к заземлению Arduino.
   «Заземление» - это просто термин для обозначения контрольной точки для измерения напряжения в вашей цепи, вы можете выбрать любую точку (хотя обычно это сеть, подключенная к отрицательной клемме источника питания). Например, вы можете назвать точку, к которой положительный контакт подключается в цепи, «землю», и тогда «первоначальная земля» (земля, как показано в вашей схеме) будет -12 В относительно нее. Отрицательный вывод не означает, что напряжение является отрицательным, он просто говорит вам, в каком направлении течет ток.

4. (а) R1 должен ограничивать ток на базе транзистора. Чтобы вычислить значение, нам нужно знать, какой ток мы переключаем (т.е. сколько нужно реле) и коэффициент усиления тока транзистора. Допустим, мы используем транзистор с коэффициентом усиления по току 200, а реле необходимо 20 мА для переключения. Поскольку ток через базу усиливается усилением тока, мы знаем, что базовый ток должен быть не менее 20 мА / 200 = 0,1 мА.
   Базовое напряжение типичного биполярного транзистора составляет около 0,7 В, поэтому максимальный последовательный резистор (R1) должен составлять: (5 В - 0,7 В) / 0,1 мА = 43 кОм
   Поскольку усиление может варьироваться (перейдите от минимального значения в таблице данных для безопасности), мы можем выбрать 33 кОм, чтобы иметь запасной базовый ток. Обратите внимание, что для эффективного переключения мы хотим, чтобы транзистор насыщался, так как эффективное усиление начинает падать в колене между линейным и насыщенным режимом (как упомянуто Shokran). Поэтому мы выбираем резистор с более низким значением, чем рассчитано, чтобы убедиться, что мы можем тянуть коллектор к земле. В случаях, например, с силовыми транзисторами, где важно минимизировать рассеивание, целесообразно выбрать значение, по крайней мере, в 5 раз меньшее, чем рассчитанное (или предположить усиление ~ 20), чтобы в приведенном выше примере мы могли получить всего 4,3 кОм.

   (b) R2 находится там, чтобы убедиться, что основание тянется к земле, когда ток привода отключается. Это необходимо для предотвращения утечки тока при частичном включении транзистора. Это значение не обязательно должно быть слишком точным, достаточно лишь для того, чтобы шунтировать ток утечки (таблица данных), и не должно быть слишком низким, чтобы украсть слишком большой ток базового привода. Последовательный резистор в 5-10 раз (или от 1 кОм до 500 кОм) - это грубый диапазон, от которого можно перейти. 100k & Omega - разумное значение для большинства случаев, хотя я бы выбрал здесь 330k, поскольку ток утечки должен быть минимальным. Если вам нужно пойти намного ниже, вы должны отрегулировать последовательный резистор для компенсации.
   Обратите внимание , что если Arduino штифт приводится в 0В (то есть набор для вывода и логического 0) , то R2 не является действительно необходимым, это только если штифт установлен на высокий импеданс (т.е. вход)
   Примечание 2 - это очень редко вызывает беспокойство при использовании BJT (МОП-транзисторы - это другое дело, и определенно не стоит оставлять их плавающими). ​​Если у вас транзистор с очень высоким коэффициентом усиления (esp darlington), шумная среда и / или высокая температура (утечка увеличивается с ростом температуры) и очень высокий коллекторный резистор, тогда это может вызвать проблемы, но обычно ток утечки будет слишком мал, чтобы иметь значение.

5. Не то, чтобы я мог определить это прямо сейчас (однако сейчас здесь 4:48 утра, поэтому мой мозг уже давно вышел на пенсию, поэтому я оставляю за собой право пропустить что-то очевидное ;-))

1), 2) и 3)
Если вы используете разные источники питания в цепи, вы должны подключить их так или иначе, чтобы они имели общий эталон. Вы почти всегда будете связывать земли, так как они являются вашей ссылкой. Напряжение является относительным: если вы берете плюс батареи в качестве эталона, минус будет в -12 В, если вы берете минус в качестве эталона, плюс будет в +12 В. Мало цепей будет использовать плюс в качестве эталона, нам нравится положительные напряжения лучше. Таким образом, минус батареи уходит на землю Arduino.

Почему они должны быть связаны? Ваш транзистор будет видеть два тока: ток базы, входящий в базу и возвращающийся к источнику питания 5 В через эмиттер, и ток коллектора, поступающий в коллектор и также возвращающийся в батарею через эмиттер. Так как токи имеют общий эмиттер (он называется общей схемой эмиттера ), именно там будут подключены оба источника питания.

Как базовый ток узнает, куда идти, когда он выходит из транзистора через эмиттер? Ток может течь только в замкнутом контуре, от плюса от источника питания до минуса. Ток базы начинался с +5 В, поэтому он не замыкал петлю, когда пошел бы по земле аккумуляторов.

4)
Мы оставим R2 на мгновение. Поскольку базовый излучатель действует как диод, база находится на уровне около 0,7 В. Для включения транзистора вы подаете 5 В, тогда в соответствии с законом Ома ток через R1 (который является базовым током) составляет . Транзистор будет усиливать этот ток до достаточно высокого тока коллектора, чтобы управлять реле. Что достаточно высоко? Поэтому вы должны проверить технические характеристики реле. Он либо сообщит вам требуемый ток, либо сопротивление катушки, а затем вы сможете рассчитать ток, опять же по закону Ома. Для срабатывания реле обычно требуется около 400 мВт, поэтому для реле 12 В ток будет 400 мВт / 12 В = 35 мА. Это минимальный ток коллектора. $\frac{5V-0.7V}{R1}$

Чтобы выяснить, какой базовый ток нам нужен, мы должны заглянуть в таблицу данных транзистора. Допустим, у меня лежат 100 000 BC547B (я забыл десятичную точку, когда заказал их), для которых мне нужна цель. Текущее усиление задается параметром , который мы находим на странице 2 таблицы. Для BC547B это минимум 200. (Всегда используйте худшие значения, для это минимальное значение. Если вы используете типовые значения, у вас может быть слишком малый ток для некоторых деталей.) $h_{FE}$$h_{FE}$

Таким образом, чтобы получить ток коллектора 35 мА, нам нужно 35 мА / 200 = базовый ток 0,175 мА. Тогда R1 должно быть = 24600 Ом. Это значение вы не найдете, поэтому мы должны выбрать более высокое или более низкое значение. Если мы выберем более высокое значение, ток будет ниже, также ток коллектора будет меньше, и наше реле может не активироваться. Таким образом, оно должно быть ниже, 24600 Ом - это верхний предел. Теперь нет ничего плохого в подаче слишком большого базового тока (в пределах разумного); ток коллектора будет пытаться следовать, но сопротивление катушки будет ограничивать его. Если сопротивление катушки составляет 360 Ом, то закон Ома гласит, что вы не можете получить более 35 мА при 12 В, независимо от того, как сильно вы пытаетесь. $\frac{4.3 V}{0.175 mA}$

Давайте выберем резистор 10 кОм. Это гораздо меньшее значение, чем нам было нужно, но все будет в порядке. Базовый ток будет около 0,5 мА, который Arduino будет успешно подавать, и транзистор попытается сделать это 100 мА, но опять же, он будет ограничен нашими 35 мА. В общем, неплохо иметь некоторый запас, если 5 В будет немного меньше, или какие-либо изменения в параметрах могут быть. У нас есть запас прочности в три раза, который должен быть в порядке.

Что насчет R2? Мы не использовали это, и все, кажется, в порядке. Это верно, и это будет в большинстве случаев. Когда нам это понадобится? Если выходное низкое напряжение Arduino не опустится ниже 0,7 В, так что транзистор также получит ток при выключении. Это не будет иметь место, но допустим, что выходное низкое напряжение будет зависеть от 1 В. R1 и R2 образуют резисторный делитель, и если мы выберем R1 = R2, то вход 1 В станет базовым напряжением 0,5 В, и транзистор не получит никакого тока.

При включении у нас был базовый ток 0,5 мА, но если R2 параллелен базовому эмиттеру, мы потеряем часть этого тока. Если R2 равен 10 кОм, он потребляет 0,7 В / 10 кОм = 70 мкА. Таким образом, наш базовый ток 500 мкА становится 430 мкА. У нас было много запаса, так что этого было бы достаточно, чтобы активировать реле.

Другое использование для R2 было бы для утечки тока утечки. Предположим, что транзистор приводится в действие источником тока, как фототранзистор оптопары. Если оптопара питается током, все это войдет в базу. Если оптопара выключена, фототранзистор все равно будет создавать небольшой ток утечки, который называется «темновой ток». Часто не более 1 мкА, но если мы ничего не предпримем, он попадет в базу и создаст ток коллектора 200 мкА. Пока должно быть ноль. Итак, мы вводим R2 и выбираем для него 68 кОм. Тогда R2 создаст падение напряжения 68 мВ / мкА. Пока падение напряжения составляет менее 0,7 В, весь ток будет проходить через R2, а не через базу. Это при 10 мкА. Если ток выше, ток R2 будет ограничен при 10 мкА, а остаток проходит через базу. Таким образом, мы можем использовать R2, чтобы создать порог. Темновой ток не активирует транзистор, потому что слишком низкий.

За исключением этого случая управляемый током R2 очень редко будет необходим. Вам это не понадобится.

Кажется, стоит упомянуть, что если вам действительно нужно иметь 2 отдельных заземления, у вас есть опция твердотельного реле с оптопарой AKA. Но они в несколько раз более громоздкие и дорогие, чем транзисторы (все еще неплохо для небольшого проекта), поэтому используйте их только в случае необходимости.